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En este video se muestra una intruducción a la fusión nuclear:

Aquí observamos una pequeña fusión nuclear que tuvo lugar en un programa de televisión, el Hormiguero:

Proyecto ITER y CIEMAT

Proyecto ITER

El proyecto ITER, ideado en 1986, demostrará que el método de fusión es viable científica y técnicamente. El ITER, tendrá que ser capaz de generar 500 MegaWatt (megavatios) de energía, durante un cierto tiempo. El proyecto, tendrá una función experimental, para probar tecnologías imprescindibles y crear multitud de centrales de fusión industrial en todo el mundo. Para el año 2040 se estima, que estará terminado todo el proyecto de investigación. El ITER, producirá diez veces más, que la energía que usa como combustible.
El ITER entrará en funcionamiento en unos 15 años y confiemos que para mediados de siglo, las nuevas generaciones puedan disfrutar de una energía, que no embargue el futuro de la humanidad.
Los socios del proyecto ITER, liderados por la Unión Europea son: los Estados Unidos, China, Rusia, Japón y Corea del Sur.
En junio 2005 los socios del proyecto ITER, han acordado construirlo en Cadarache (Francia) y tendrá un costo de construcción de unos 4.7 mil millones de euros, pudiendo llegar el total de la financiación, a 15 mil millones de euros.

CIEMAT

CIEMAT es el referente de investigación española en el campo de la fusión nuclear. Realiza actividades de I+D para el desarrollo de la fusión por confinamiento magnético como futura fuente de energía. Esta investigación se realiza mediante la explotación científica de la gran instalación Heliac Flexible TJ-II y sus sistemas auxiliares asociados, como el calentamiento y el diagnóstico de plasma, y de los laboratorios de estudio de materiales del CIEMAT.
Contribuye al desarrollo de futuros reactores de fusión y participa en la construcción y operación del primer reactor experimental de Fusión, [ITER]. El Departamento constituye el Laboratorio Nacional de Fusión por Confinamiento Magnético, integrado en el Programa Marco de la Comisión Europea.

Reactores de fusión nuclear por confinamiento magnético

El Sol es un reactor natural de fusión termonuclear.

Los reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético son proyectos experimentales, vialmente posibles, que se hallan en proceso de diseño y realización. Se utilizan para la generación de energía a partir de la fusión termonuclear de iones confinados por campos magnéticos.

Se basan en el funcionamiento de las reacciones termonucleares producidas en las estrellas, que son reactores de fusión naturales y suelen utilizar el hidrogeno como combustible, ya que es el elemento químico, más sencillo y común de universo. Como resultado, al contraerse y fusionarse bajo la presión extrema de la gravedad, el hidrógeno es reconvertido en helio. En estas reacciones, alrededor 0.5% de la masa del hidrógeno se convierte en energía, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc² que relaciona la masa y la energía. De esta forma, las estrellas irradian energía en forma de luz y de calor.

Para poder reproducir una fusión artificial a pequeña escala, en lugar del hidrógeno, utilizamos el deuterio y el tritio como combustibles, dado que estos dos isótopos del hidrogeno, necesitan una menor energía calorífica para fusionarse, que la utilizada por las estrellas. Los reactores experimentales en construcción (ITER) guiarán la viabilidad de los distintos sistemas de generación de energía por fusión en nuestro planeta.

1. FUNCIONAMIENTO:

Para entenderlo partiremos de que el átomo, se compone de un núcleo central que esta formado por protones, que tienen carga positiva, y neutrones, que son neutros, o sea, que no poseen carga eléctrica. Orbitando, alrededor del núcleo, se encuentran los electrones, cargados negativamente.
Para que pueda existir, una reacción de fusión, dos átomos ligeros tienen que unirse, produciendo una reacción química, obteniendo como resultado de dicha reacción un átomo mayor. En esta reacción química, se libera mucha energía que proviene de La fuerza nuclear fuerte que unía el núcleo. Este desecho, (la fuerza nuclear fuerte), al separarse del núcleo, desprende energía calorífica.

Fusión: Deuterio & Tritio = Helio & neutrón + energía

Para conseguir fusionar dos átomos, hay que superar la fuerza de repulsión que poseen sus núcleos. Pues los protones de los dos núcleos, tienen signo positivo.

Solo si los dos núcleos se acercan lo suficiente, pueden superar la cresta de repulsión. Esto se consigue haciéndolos chocar a gran velocidad y elevando la temperatura del reactor a unos 150 millones de grados.

A esas temperaturas, los átomos se mueven a una velocidad tal que se separan en núcleos y electrones libres pues dejan de estar unidos por la fuerza eléctrica que los unía. Este estado de la materia es el cuarto estado, por encima del estado gaseoso. A este cuarto estado se le denomina “plasma” (es un estado parecido al gas pero compuesto por electrones, protones y neutrones, todos ellos separados entre sí y libres, por eso es un excelente conductor).

Para poder conservar esta altísima temperatura, hay que evitar que el plasma choque contra las paredes del reactor. Par evitar estos choques, se utilizan campos magnéticos. Con la ayuda de los campos magnéticos, las partículas del plasma seguirán las líneas magnéticas, como si fuesen guiadas por un carril. Para evitar que las partículas choquen con los extremos del reactor, científicos rusos inventaron el reactor “tokamak”.

2. TIPOS DE REACTORES:

a) Tokamak: Un tokamak o cámara toroidal , es un reactor de fusión con forma cilíndrica y anular (forma parecida a una rosquilla). Un tubo sin extremos rodeado exteriormente con unas bobinas que deben proporcionarle el campo magnético.

Dentro del tokamat, la temperatura es muy alta. Para que el reactor sea seguro necesita tener una presión baja, para que la densidad del plasma también lo sea. Esto es algo que tecnológicamente puede ser complicado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor.

b) Stellarators: Son reactores de fusión toroides con un campo magnético poloidal producido por bobinas exteriores al plasma. Su funcionamiento es continuo pues no existe ninguna corriente plasmática inductiva y no existe el riesgo de disrupciones al no tener corriente interna en el plasma.

España, en su línea de investigación sobre fusión y física del plasma posee un Stellarator, el TJ-II, de los más avanzados del mundo, que se encuentra en el CIEMAT, en Madrid. De todas formas, la alternativa ha perdido relevancia frente a los Tokamak, dado que el ITER es un Tokamak.

c) Es precisamente en la forma de crear este campo poloidal en lo que se diferencian el Tokamak y el Stellarator: mientras el primero lo hace utilizando el propio plasma como conductor, el stellarator lo hace mediante bobinas exteriores helicoidales y/o haciendo girar el plasma alrededor de una bobina central circunferencial. Esta máquina es más costosa de fabricar, por la fabricación de bobinas helicoidales, pero dota al plasma de mayor estabilidad, ya que el confinamiento no depende del plasma.

3. IMPLICACIONES MEDIOAMBIENTALES:

En un reactor de fusión, el combustible (deuterio y tritio), no produce una reacción en cadena que pueda contaminar el medio ambiente, en caso de accidente, como ocurre con la fisión nuclear. Si al reactor de fusión se le deja de suministrar combustible, la reacción se para, lo que hace a este tipo de reacción por fusión, sea limpia, segura y ecológica.

En la fusión, se utiliza como combustible el deuterio y el tritio, que son isótopos del hidrógeno. Fusionando el litio se obtendría tritio y helio. Las reservas de litio en el planeta son muy abundantes, por lo que tendríamos tritio para miles de años. El deuterio, se obtiene del hidrogeno que existe en el agua, por lo que se convierte en una fuente casi inagotable de combustible.

En un reactor de fusión la presencia de tritio es un aspecto de seguridad importante, por que es un gas radioactivo que en estado natural tarda 12 años en volverse inocuo. Artificialmente se produce en el interior del reactor a partir de litio. Por ello, no hay que transportar el material radioactivo. Una central en funcionamiento, nunca se acumularía mucha cantidad de este elemento químico. Las paredes del reactor, se vuelven radioactivas, esta radioactividad desaparecerá totalmente en unos cincuenta años.

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Fusión nuclear

1. INTRODUCCIÓN A LA FUSIÓN NUCLEAR:

En física nuclear y química nuclear, la fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático (gas constituido por partículas cargadas (iones) libres y cuya dinámica presenta efectos colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas. Con frecuencia se habla del plasma como un estado de agregación de la materia con características propias, diferenciándolo de este modo del estado gaseoso, en el que no existen efectos colectivos importantes).




La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor energía de La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el caso más simple de fusión del hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.

La interacción nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas que el modelo estándar de la física establece para explicar las interacciones entre las partículas conocidas. Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva).




2. MANIFESTACIONES ACTUALES DE LA FUSIÓN NUCLEAR:

Las reacciones de fusión dan energía a las estrellas y producen todos los elementos, excepto los más ligeros, en un proceso llamado nucleosíntesis. Aunque la fusión de los elementos más ligeros en las estrellas libera energía, la producción de los elementos más pesados absorbe energía.

Cuando la reacción de fusión es una cadena sostenida y fuera de control, puede resultar en una explosión termonuclear, como la generada por una bomba de hidrógeno (bomba atómica).

VÍDEO RELACIONADO:

3. FUSIÓN CONTROLADA:

Las investigaciones sobre la fusión controlada llevan más de 50 años persiguiendo el objetivo de obtener energía de fusión para la producción de electricidad. Este proceso ha estado repleto de extremas dificultades científicas y tecnológicas, pero esto se ha traducido en progreso. En la actualidad, las reacciones equilibradas y controladas (autosuficientes) de fusión, no han podido ser demostradas en los pocos reactores de tipo tokamak que hay en el mundo (hablaremos de ellos en profundad más adelante), pero básicamente es:

Un aparato cuyo objetivo es obtener la fusión de las partículas del plasma, lo que generaría grandes cantidades de energía. En efecto, la reacción nuclear de fusión de dos partículas ligeras en una partícula más estable de peso medio produce una energía en relación con la equivalencia de Einstein.

La masa se convierte en energía

Está previsto que en torno al año 2018 entren en funcionamiento diseños viables para un reactor que, teóricamente, generará diez veces más energía de la requerida para calentar el plasma a la temperatura necesaria.

Se necesita mucha energía para forzar a los núcleos a fusionarse, incluso los del elemento más ligero, el hidrógeno. Esto se debe a que todos los núcleos tienen una carga positiva (debido a sus protones), y como las cargas iguales se repelen, los núcleos se resisten con fuerza a que se los ponga demasiado juntos. Acelerados a altas velocidades (esto es, calentados a temperaturas termonucleares), pueden superar esta repulsión electromagnética y acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte sea lo suficientemente fuerte como para lograr la fusión. La fusión de núcleos más ligeros, que crea un núcleo más pesado y un neutrón libre, en general libera más energía de la que se necesita para forzar a los núcleos a acercarse; se trata de una reacción exotérmica que puede producir reacciones autosuficientes.

La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor que la energía que mantiene unido al núcleo con un electrón. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear. Sólo la conversión directa de la masa en energía, como la causada por la colisión de la materia y la antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.

4. REQUISITOS:

En distancias cortas, la interacción nuclear fuerte (atracción) es más fuerte que la fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para fusionar.

Energía nuclear e historia de la fusión

1. DEFINICIÓN DE ENERGÍA NUCLEAR:

La energía nuclear es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares, aunque es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una reacción sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano.

Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos, siendo la más conocida la fisión del uranio-235(235U), con la que funcionan los reactores nucleares.

Los dos sistemas más investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear.

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2. HISTORIA DE LA FUSIÓN NUCLEAR:

Hasta el principio del s.XX no se entendió la forma en que se generaba energía en el interior de las estrellas para contrarrestar el colapso gravitatorio de estas. No existía reacción química con la potencia suficiente y la fisión tampoco era capaz. En 1938 Hans Bethe logró explicarlo mediante reacciones de fusión, con el ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno: es una de las dos reacciones de fusión, la otra es el protón-protón, por las que las estrellas convierten hidrógeno en helio), para estrellas muy pesadas. Posteriormente se descubrió el ciclo protón-protón para estrellas de menor masa, como el Sol.
En los años 1940, como parte del proyecto Manhattan, se estudió la posibilidad del uso de la fusión en la bomba nuclear. En 1942 se investigó la posibilidad del uso de una reacción de fisión como método de ignición para la principal reacción de fusión, sabiendo que podría resultar en una potencia miles de veces superior. Sin embargo, tras finalizar la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de una bomba de estas características no fue considerado primordial hasta la explosión de la primera bomba atómica rusa en 1949, RDS-1 o Joe-1. Este evento provocó que en 1950 el presidente estadounidense Harry S. Truman anunciara el comienzo de un proyecto que desarrollara la bomba de hidrógeno. El 1 de noviembre de 1952 se probó la primera bomba, con una potencia equivalente a 10.400.000.000 de kg de TNT (10,4 megatones). El 12 de agosto de 1953 la Unión Soviética realiza su primera prueba con un artefacto termonuclear (su potencia alcanzó algunos centenares de kilotones).

Las condiciones que eran necesarias para alcanzar la ignición de un reactor de fusión controlado no fueron derivadas hasta 1955 por John D. Lawson. Los criterios de Lawson definieron las condiciones mínimas necesarias de tiempo, densidad y temperatura que debía alcanzar el combustible nuclear (núcleos de hidrógeno) para que la reacción de fusión se mantuviera. Sin embargo, ya en 1946 se patentó el primer diseño de reactor termonuclear. En 1951 comenzó el programa de fusión de Estados Unidos, sobre la base del stellarator. En el mismo año comenzó en la Unión Soviética el desarrollo del primer Tokamak, de los que hablaremos más adelante.

En 1962 se propuso otra técnica para alcanzar la fusión basada en el uso de láseres para conseguir una implosión en pequeñas cápsulas llenas de combustible nuclear (de nuevo núcleos de hidrógeno). Sin embargo hasta la década de los 70 no se desarrollaron láseres suficientemente potentes. Sus inconvenientes prácticos hicieron de esta una opción secundaria para alcanzar el objetivo de un reactor de fusión. Sin embargo, debido a los tratados internacionales que prohibían la realización de ensayos nucleares en la atmósfera, esta opción (básicamente microexplosiones termonucleares) se convirtió en un excelente laboratorio de ensayos para los militares, con lo que consiguió financiación para su continuación. Así se han construido el National Ignition Facility (NIF, con inicio de sus pruebas programadas para 2010) estadounidense y el Laser Megajoule (LMJ, que será completado en el 2010) francés, que persiguen el mismo objetivo de conseguir un dispositivo que consiga mantener la reacción de fusión a partir de este diseño. Ninguno de los proyectos de investigación actualmente en marcha predicen una ganancia de energía significativa, por lo que está previsto un proyecto posterior que pudiera dar lugar a los primeros reactores de fusión comerciales (DEMO para el confinamiento magnético e HiPER para el confinamiento inercial (consiste en conseguir las condiciones necesarias para que se produzca la fusión nuclear)).